Nodeless d-wave pairing in monolayer FeSe revealed by intra-unit-cell Josephson interferometry

Runxin Li; Yuchen Huo; Jiong Mei; Ming-Qiang Ren; Miaomiao Wang; Quanxing Wei; Fengyu Yao; Maowen Zheng; Qing Qu; Cui Ding; Hongtao Yuan; Zhuoyu Chen; Wei-Qiang Chen; Kun Jiang; Qi-Kun Xue; Yu-Jie Sun

Résumé IA · arXiv: 2610.34382v1 · cond-mat.supr-con

Nodeless d-wave pairing in monolayer FeSe revealed by intra-unit-cell Josephson interferometry

Runxin Li, Yuchen Huo, Jiong Mei, Ming-Qiang Ren, Miaomiao Wang, Quanxing Wei, Fengyu Yao, Maowen Zheng,

et 8 autres auteurs

Qing Qu, Cui Ding, Hongtao Yuan, Zhuoyu Chen, Wei-Qiang Chen, Kun Jiang, Qi-Kun Xue, Yu-Jie Sun

Article original Soumis à arXiv le 25 Oct. 2026 Licence : NONEXCLUSIVE-DISTRIB 1.0 Aussi en : en

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L’essentiel

L’interférométrie Josephson résolue à l’échelle intra-cellulaire révèle dans FeSe monocouche un motif de nœuds compatible avec un appariement d’onde d sans nœuds spectroscopiques.

Question

Comment déterminer la structure de phase de l’appariement dans FeSe monocouche, dont le spectre est pleinement ouvert mais dont la symétrie d’appariement demeure controversée ? Les mesures sensibles à la seule amplitude du gap permettent-elles de distinguer un état sans changement de signe d’un état d’onde d sans nœuds ?

Méthode

Les auteurs utilisent une pointe supraconductrice Nb pour cartographier le courant Josephson local dans FeSe monocouche sur SrTiO3, à l’échelle de la maille, et comparent les résultats à des mesures sur NbSe2. Ils calculent la réponse Josephson à partir des corrélations de paires projetées dans le vide par les fonctions de Wannier, en confrontant notamment un état d’onde d à des cas de référence.

Résultats

Résultat Le spectre de quasiparticules de FeSe monocouche est pleinement ouvert, avec des énergies caractéristiques du gap d’environ 10 et 15 meV.
Voir le passage dans l’article
Tunnelling spectra acquired with a normal-metal tip reveal a fully gapped superconducting state, with characteristic gap energies of ∼ 10 and ∼ 15 meV
Résultat La conductance Josephson présente des maxima aux centres des liaisons Fe–Fe et des lignes nodales le long des directions Fe–Se.
Voir le passage dans l’article
we find that these nodal lines run along the Fe–Se directions (Fig. 2b), enclosing four response maxima centred near the nearest-neighbour Fe–Fe bond.
Résultat La réponse Josephson de NbSe2 ne présente pas les lignes nodales observées dans FeSe, ce qui écarte une modulation générique due à la pointe ou à la géométrie de tunnel.
Voir le passage dans l’article
The corresponding line profiles remain finite with no nodal minima, in sharp contrast to monolayer FeSe (Fig. 2i).
Résultat Les calculs pour l’état d’onde d reproduisent les maxima près des liaisons Fe–Fe et l’annulation de la réponse le long des directions Fe–Se.
Voir le passage dans l’article
It closely reproduces the principal features of the experimental map in Fig. 3a: the response is strongest near the Fe–Fe bond centres and is suppressed to zero along the Fe–Se directions.
Interprétation des auteurs Les auteurs interprètent les lignes nodales comme l’annulation par interférence de contributions d’appariement de phases opposées, sans fermeture locale du gap.
Voir le passage dans l’article
In this picture, a Josephson node marks cancellation of the net tunnelling amplitude without requiring the local superconducting gap to close.

Limites

Les intensités relatives des quatre maxima varient entre les mesures, et les auteurs ne tranchent pas entre une origine liée à la pointe et une brisure de symétrie intrinsèque.
Voir le passage dans l’article
We note that the four maxima at the Fe–Fe bond centres show some variation in relative intensity between measurements, which may reflect either tip-dependent tunnelling details or intrinsic symmetry breaking, while the nodal-line positions and symmetry remain robust
Les résultats concernent principalement FeSe monocouche sur SrTiO3 et ne démontrent pas directement l’applicabilité de la méthode à d’autres matériaux supraconducteurs.

Portée

Les auteurs présentent l’interférométrie Josephson intra-cellulaire comme une méthode locale sensible à la phase, capable de distinguer des symétries d’appariement que les mesures de l’amplitude du gap ne séparent pas. Dans FeSe monocouche, ils soutiennent que le motif observé identifie un état d’onde d sans nœuds dans le spectre.

Rédigé par une IA à partir de l’article. Les passages cités sont vérifiés mot pour mot dans le texte analysé ; le reste peut contenir des erreurs.

Mots clés générés par l'IA : FeSe monocouche effet Josephson symétrie d’onde d interférométrie Josephson structure de phase supraconductrice

Pour aller plus loin

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Abstract original

L’article vise à déterminer la symétrie de l’ordre supraconducteur dans une monocouche de FeSe déposée sur SrTiO₃. La question reste ouverte, car plusieurs états de paire peuvent produire un spectre d’excitations entièrement ouvert sur les poches électroniques observées dans ce matériau. Les mesures qui renseignent uniquement sur l’amplitude du gap ne permettent donc pas de distinguer un état sans changement de signe d’un état dont la phase varie entre différents secteurs électroniques. Pour sonder directement cette structure de phase à l’échelle d’une cellule cristalline, les auteurs utilisent l’effet Josephson. Ils emploient un microscope à effet tunnel équipé d’une pointe supraconductrice en niobium, dont le gap est d’environ 1,4 meV. La pointe forme une jonction Josephson mobile avec la monocouche de FeSe. Les auteurs cartographient la conductance à biais nul, considérée comme une mesure locale du transfert cohérent de paires, puis la mettent en relation avec la position des atomes déterminée par la topographie. Les spectres révèlent un pic à biais nul, accompagné de creux de conductance négative vers ±0,4 meV, signatures attribuées à l’effet Josephson. Le spectre de la monocouche demeure entièrement ouvert, avec des énergies caractéristiques du gap d’environ 10 et 15 meV. La conductance à biais nul et les caractéristiques d’Andreev varient comme l’inverse du carré de la résistance normale, conformément au régime tunnel étudié. La cartographie révèle une forte modulation du signal à l’intérieur de chaque cellule : le signal Josephson atteint des maxima près des centres des liaisons Fe–Fe, mais devient presque nul le long des directions Fe–Se. Les profils spatiaux présentent ainsi des minima proches de zéro sur ces lignes, malgré le spectre d’excitations entièrement ouvert. Les creux de conductance négative montrent un contraste approximativement inversé. Le signal d’Andreev présente une modulation similaire, avec un renforcement près des liaisons Fe–Fe. Une mesure de contrôle réalisée sur le supraconducteur conventionnel NbSe₂ ne révèle que de faibles variations atomiques, sans minima comparables à des lignes nodales. Ce résultat rend moins plausible une origine générique liée à la pointe, à la corrugation atomique ou à la géométrie de la jonction tunnel. Pour interpréter les observations, les auteurs calculent le courant Josephson local à partir d’un modèle microscopique de FeSe. Ils projettent les corrélations de paires dans le vide au moyen des fonctions de Wannier. Pour un état d’onde d, dont le facteur de forme est proportionnel à cos kx − cos ky, le calcul reproduit les maxima près des liaisons Fe–Fe et l’annulation le long des directions Fe–Se. Dans la structure électronique considérée, les lignes nodales de cet état évitent les poches électroniques. Le spectre peut donc rester entièrement ouvert alors même que le signe de l’ordre change entre les deux secteurs de poche. Selon l’interprétation proposée, le phénomène résulte d’une interférence entre des contributions tunnel associées à des composantes de paire de phases opposées. Au-dessus de certaines lignes de symétrie, les poids tunnel des deux composantes sont égaux, ce qui entraîne l’annulation de leurs amplitudes. Près des centres des liaisons, cette égalité est rompue et le signal redevient important.

Une symétrie surprenante pour la supraconductivité de FeSe

Dans une monocouche de FeSe déposée sur un substrat de SrTiO₃, la supraconductivité pose une énigme : quelle est la symétrie de l’ordre qui associe les électrons en paires ? Le spectre d’excitations observé est entièrement ouvert, ce qui pourrait sembler exclure certains états présentant des nœuds. Pourtant, un spectre sans nœud ne révèle pas à lui seul si la phase de la paire conserve le même signe partout ou change entre différentes régions électroniques.

Dans leur étude intitulée « Nodeless d-wave pairing in monolayer FeSe revealed by intra-unit-cell Josephson interferometry », Runxin Li, Yuchen Huo, Jiong Mei, Ming-Qiang Ren, Miaomiao Wang, Quanxing Wei et leurs collègues proposent une réponse grâce à une méthode qui sonde la phase de l’ordre supraconducteur à l’échelle d’une cellule cristalline. Leurs résultats indiquent un état d’onde d, même si le spectre d’excitations reste entièrement ouvert.

Observer le transfert de paires, pas seulement le gap

Les mesures habituelles du gap renseignent principalement sur l’énergie nécessaire pour exciter les quasiparticules. Elles ne suffisent pas toujours à déterminer comment la phase de l’ordre supraconducteur varie d’une poche électronique à une autre. Pour accéder à cette information, l’équipe s’appuie sur l’effet Josephson : lorsque deux supraconducteurs sont reliés par une jonction, des paires d’électrons peuvent y circuler de manière cohérente. Le signal Josephson peut ainsi révéler des informations sur la phase de la paire.

Les chercheurs utilisent un microscope à effet tunnel muni d’une pointe supraconductrice en niobium, dont le gap est d’environ 1,4 meV. En approchant cette pointe de la monocouche de FeSe, ils créent une jonction Josephson mobile. Ils cartographient la conductance à biais nul, qui sert ici d’indicateur local du transfert cohérent de paires, puis comparent cette carte à la position des atomes déterminée par la topographie.

Les spectres présentent un pic à biais nul et des creux de conductance négative autour de ±0,4 meV, caractéristiques attribuées à l’effet Josephson. Le spectre de FeSe reste entièrement ouvert, avec des énergies caractéristiques du gap d’environ 10 et 15 meV. Autrement dit, les mesures confirment l’absence de nœuds dans le spectre, tout en permettant d’examiner une autre propriété : la distribution spatiale du signal de paires.

Un motif à l’intérieur de chaque cellule

La cartographie révèle une forte variation du signal Josephson au sein de chaque cellule cristalline. Celui-ci atteint ses maxima près des centres des liaisons fer–fer, mais devient presque nul le long des directions fer–sélénium. Les profils présentent ainsi des lignes de minima très marqués, alors même que les excitations ne montrent pas de nœuds. Les creux de conductance négative affichent, quant à eux, un contraste approximativement inversé. Le signal d’Andreev varie de façon similaire au signal Josephson et se renforce lui aussi près des liaisons fer–fer.

Cette modulation pourrait-elle simplement venir de la pointe ou de la géométrie de la jonction ? Pour tester cette possibilité, l’équipe réalise une mesure de contrôle sur NbSe₂, un supraconducteur conventionnel. Le contraste atomique y est faible et ne présente pas de minima comparables en forme de lignes. Cette comparaison rend moins plausible une explication générique liée à la pointe, à la corrugation de la surface ou à la jonction tunnel elle-même.

Comment un état d’onde d peut rester sans nœud

Pour interpréter le motif observé, les auteurs calculent le courant Josephson local à partir d’un modèle microscopique de FeSe. Ils projettent les corrélations de paires dans le vide à l’aide des fonctions de Wannier. Le calcul associé à un état d’onde d reproduit les maxima près des liaisons fer–fer et l’annulation du signal le long des directions fer–sélénium.

Dans ce scénario, le facteur de forme de l’ordre varie comme cos kx − cos ky. Il change donc de signe entre différents secteurs électroniques. Mais les lignes nodales correspondantes évitent les poches électroniques prises en compte dans la structure de FeSe. L’ordre peut ainsi présenter une symétrie d sans produire de nœuds dans le spectre mesuré. L’absence de nœuds ne signifie donc pas nécessairement que la phase garde partout le même signe.

Le modèle attribue les minima spatiaux à une interférence entre des contributions tunnel provenant de composantes de paire de phases opposées. Au-dessus de certaines lignes de symétrie, les poids tunnel de ces contributions sont égaux : leurs amplitudes se compensent et le signal Josephson s’annule presque. Près des centres des liaisons fer–fer, cet équilibre est rompu, ce qui permet au signal de réapparaître.

Une fenêtre sur la phase supraconductrice

Cette étude montre l’intérêt de cartographier l’effet Josephson à l’intérieur d’une cellule cristalline. Une mesure du gap peut révéler un spectre entièrement ouvert sans trancher la question du signe de l’ordre supraconducteur. Le motif spatial du transfert cohérent de paires apporte ici un indice supplémentaire, compatible avec un état d’onde d sans nœuds sur les poches électroniques. La méthode offre ainsi une piste pour distinguer des formes de supraconductivité que les seules mesures d’amplitude du gap pourraient confondre.

Créé le 02 Nov. 2026

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Definitions

Une symétrie surprenante pour la supraconductivité de FeSe

Observer le transfert de paires, pas seulement le gap

Un motif à l’intérieur de chaque cellule

Comment un état d’onde d peut rester sans nœud

Une fenêtre sur la phase supraconductrice

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